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如何探测引力波留下的“记忆”

2019/12/10 11:53:05
来源:新浪科技



两个黑洞合并时在时空中产生涟漪(引力波)的想象图两个黑洞合并时在时空中产生涟漪(引力波)的想象图

北京时间12月10日消息,据国外媒体报道,引力波以时空涟漪的形式在宇宙中传播,而这些时空涟漪正是由宇宙中最剧烈的事件所产生的。

利用激光干涉引力波天文台(LIGO)和室女座干涉仪(Virgo)这样的设备,天文学家可以探测到那些强度足以“波及”地球的时空涟漪。当引力波通过宇宙空间时,会留下某种“记忆”,即时空的永久弯曲,而对这种现象的探测或许很快就能实现,这将使我们对引力的理解更进一步。

引力波

尽管爱因斯坦的广义相对论已经有一个多世纪的历史,但这仍然是我们目前理解引力如何运作的最好理论。该理论将空间和时间合并成一个统一的框架,即“时空”。这个时空不仅仅是一个固定的舞台,它还会随着物质和能量的存在而弯曲或扭曲。

时空的弯曲(或者说翘曲、扭曲)决定了物质如何运动。在广义相对论中,从光子到高速飞行的子弹,再到爆炸的宇宙飞船,所有这些物体都试图沿直线飞行,但它们周围的时空是扭曲的,迫使它们都沿着弯曲的轨迹前进。这就好像你试图以直线穿过山口,但却要沿着弯弯曲曲的峰峦和山谷地形前进。

我们所称的“引力”是所有这些时空扭曲的结果,移动的物体别无选择,只能跟随周围时空的弯曲而做出相应的运动。和其他可弯曲的表面一样,时空不只是弯曲或翘曲,它还会产生振动。

想象你站在蹦床上,蹦床会因为你的重量而凹陷。如果有人也跳上蹦床,试图在你旁边走动,那他们就会感受到你的“引力”,只能走一条弯曲的路径。但是,如果离你足够远,那他们甚至不会注意到你的影响。而如果你开始在蹦床上跳上跳下,就会发出波状振动,那他们会不由自主地被你的动作所影响。

记住过去

引力波以类似的方式运作,通过时空结构本身的涟漪传递能量。这些涟漪的来源可以是几乎所有类型的运动,但由于引力如此微弱(它是自然界四大基本相互作用中最弱的),引力波更加微弱,只有能量最强烈的运动才能够创造出地球上仪器能够检测到的时空涟漪。

到目前为止,激光干涉引力波天文台(LIGO)和室女座干涉仪(Virgo)已经观测到了几十次引力波事件,其来源包括大质量黑洞之间,以及中子星之间的合并。这些事件产生的引力波在宇宙中荡漾,最终到达地球。当它们经过地球的时候,会非常轻微地移动物体(幅度可能比原子的宽度还小)。

甚至我们自己也会受到这种影响。此刻,你正在被数十亿光年外一场剧烈事件所产生的引力波轻轻挤压和拉伸。你可能以为一旦引力波过去,事情就结束了,但引力是一种很奇妙的力,而引力波的问题更加复杂。

几乎任何一种运动都会产生引力波,从相互碰撞的黑洞到你挥舞的双手,甚至引力波本身。当引力波在时空中传播时,它们会成为新的引力波来源,并一直延续下去。每一代新引力波都比上一代更弱,这种效应逐渐累积,形成科学家所称的时空“记忆”——在引力波经过后留下的永久时空扭曲。

换句话说,当引力波经过你的时候,你不只是暂时的被拉伸和挤压,而是随着一次次新的引力波产生,你会被永久地拉伸。

展望未来

由于引力波产生的引力波是如此微弱,天文学家直到目前还没有发现这种时空“记忆”的任何证据,但理论上它应该存在,潜伏在LIGO和Virgo所获得的数据中。我们应该看到的是,在确认的引力波事件发生很久之后,探测器的位置会发生持久的变化。

最近,一组天文学家研究了怎样才能最终看到引力波“记忆”。由于每次事件的检测只留下了非常微弱的记忆痕迹,因此无法连续地观测到这种现象。相反,我们必须将多个事件综合起来,以积累表明该现象存在的证据。

我们需要多少个事件?研究人员预测,我们需要记录大约2000个独立的黑洞合并事件,才能发现引力波留下的永久记忆。这样的探测不会很快实现,但是下一代的引力波天文台有望每天收集大约10个事件,或许在一年内就能找到这样的记忆证据。

如果广义相对论的预测是正确的,那么这种永久的时空记忆就应该存在。如果天文学家在几年的寻找之后没有发现任何东西,我们将不得不重新思考对引力的理解,看看是否遗漏了什么。



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